JP7067928B2 - プリントヘッドの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、広くはマイクロ流体吐出チップの設計に関し、具体的にはマイクロ流体吐出チップを制御するためのシステムおよび方法に関する。

典型的なインクジェットヒーターチップの設計で最初に決定すべき変数のひとつが、滴配置の垂直方向解像度である。これを出発点として、ヒーターアドレッシングマトリックス、入力データレジスタ長、チップクロック速度などの、その他の特性が決められ得る。この方法を用いると、垂直方向の解像度以外は特性が類似しているチップが、設計ごとに独自のＡＳＩＣ、ドライバカードおよびキャリアを要する互換性のない電気的インターフェースを有することが多い。これで特定の設計に関し部品表上のコスト効率は良くなるかもしれないが、開発資源や製品化までの時間の増大で、せっかくの節約が帳消しになりかねない。したがってこの設計アプローチは、製品寿命の長い大容量設計には最適である。

本発明の目的は、短い開発サイクルで、個々の消費者ニーズに合った個別化設計を可能にする、改良されたチップのアーキテクチャを提供することである。

本発明の一例示的実施形態によるプリントヘッドが、流体供給部と流体連通している１つ以上の流体ビアであって、それぞれ第１の数の加熱素子と関連付けられており、該加熱素子は第２の数の加熱素子のグループに分けられて、ある数のプリミティブグループを形成している、１つ以上の流体ビアと、少なくとも１つのシフトレジスタを備える電気的インターフェースであって、該シフトレジスタは、該加熱素子に電気信号を選択的に印加できるようにプリミティブアドレスデータを受信することにより、画像データにしたがって流体が該プリントヘッドから吐出される電気的インターフェースとを備えており、該プリミティブグループの数は、該少なくとも１つのシフトレジスタが各ヒーターをアドレス指定するのに必要なビットの数が、該プリントヘッドの印刷解像度から独立するように、該プリントヘッドの印刷解像度により決定される。

本発明の一例示的実施形態によるインクジェットプリンタが、ハウジングと、該ハウジング内に設けられたシャフトに沿って往復動するようにされたキャリッジと、該キャリッジがコントロール機構にしたがい該シャフトに沿って往復動するときに印刷媒体上にインクを吐出するように該キャリッジに配置された、１つ以上のプリントヘッド組立体とを備えており、該１つ以上のプリントヘッド組立体のうちの少なくとも１つは、プリントヘッドを備えており、該プリントヘッドは、インク供給部と流体連通している１つ以上のインクビアであって、それぞれ第１の数の加熱素子と関連付けられており、該加熱素子は第２の数の加熱素子のグループに分けられて、ある数のプリミティブグループを形成している、１つ以上のインクビアと、少なくとも１つのシフトレジスタを備える電気的インターフェースであって、該シフトレジスタは、該加熱素子に電気信号を選択的に印加できるようにプリミティブアドレスデータを受信することにより、画像データにしたがってインクが該プリントヘッドから吐出される電気的インターフェースとを備えており、該プリミティブグループの数は、該少なくとも１つのシフトレジスタが各ヒーターをアドレス指定するのに必要なビットの数が、該プリントヘッドの印刷解像度から独立するように、該プリントヘッドの印刷解像度により決定される。

少なくとも１つの例示的実施形態では、該１つ以上の流体ビアは、各流体ビアの一方の側に第１のカラムとして、および各流体ビアの他方の側に第２のカラムとして、該第１の数の加熱素子が配置されている。

少なくとも１つの例示的実施形態では、該プリミティブグループの数は、（該第１の数の加熱素子）／（該第２の数の加熱素子）の式により計算される。

少なくとも１つの例示的実施形態では、該第１の数の加熱素子は、（ビアあたりの解像度）（印刷走査幅）の式により計算され、式中、印刷走査幅の単位はインチである。

少なくとも１つの例示的実施形態では、該プリントヘッドは１２００ｄｐｉの印刷解像度を有し、該プリミティブグループの数は４０である。

少なくとも１つの例示的実施形態では、該プリントヘッドは６００ｄｐｉの印刷解像度を有し、該プリミティブグループの数は２０である。

少なくとも１つの例示的実施形態では、該プリントヘッドは３００ｄｐｉの印刷解像度を有し、該プリミティブグループの数は１０である。

少なくとも１つの例示的実施形態では、該プリントヘッドは３００ｄｐｉ、６００ｄｐｉまたは１２００ｄｐｉの印刷解像度を有し、ビットの数は４０である。

少なくとも１つの例示的実施形態では、該第２の数の加熱素子は３４個である。

少なくとも１つの例示的実施形態では、該第２の数の加熱素子は８～４０個の範囲内である。

本発明の実施形態の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明、添付図面および付属の各請求項から容易に明らかになる。

本発明によるプリントヘッドは、短い開発サイクルで、個々の消費者ニーズに合った個別化設計を可能にする、改良されたチップのアーキテクチャを提供することができる。

本発明の例示的実施形態の特徴および利点は、添付図面と照らし合わせながら以下の詳細な説明を参照することで、さらに完全に理解される。

一般的なインクジェットプリントヘッドの斜視図である。 一般的なインクジェットプリンタの斜視図である。 本発明の一例示的実施形態によるプリントヘッドのレイアウトを示すブロック図である。 本発明の別の例示的実施形態によるプリントヘッドのレイアウトを示すブロック図である。 本発明の別の例示的実施形態によるプリントヘッドのレイアウトを示すブロック図である。 本発明の別の例示的実施形態によるプリントヘッドのレイアウトを示すブロック図である。 本発明の別の例示的実施形態によるプリントヘッドのレイアウトを示すブロック図である。

本明細書で使用する見出し項目は、構成上の目的しかなく、明細書または請求項の範囲を限定するために使用するものではない。本出願全体で使用する「してもよい」および「できる」という言葉は、強制（つまり「ねばならぬ」）の意味ではなく、許容（つまり「可能性がある」）の意味で使用している。同様に、「含む」および「含んでいる」という言葉は、何かを含むが限定的ではないことを意味する。理解しやすいように、可能な場合は、諸図に共通する類似の要素を表すのに類似の番号を付与している。

本発明の例示的実施形態によるアドレスアーキテクチャは、共通の電気的インターフェースを用いて制御できる、異なる解像度のヒーターチップの設計を可能にする。これにより、共通の基礎チップ設計から複数の垂直方向インク滴解像度を実現することが可能になる。本発明により、一般的なインクジェットヒーターチップの設計を大幅に改良することができる。たとえば、異なる解像度のチップ間で共通の電気的インターフェースを用いることができる。こうすることで、プリントエンジンの開発が簡易化され、製造中のフレキシビリティも高くなる。実務的ニーズに対応する複数の解像度のために単一の基礎チップをターゲットにすればよいからである。

そのような設計の一態様は、ヒーターの解像度が変わると、ヒーターをアドレス指定するデータストリームも変わり得ることである。電気的インターフェースには影響なく、複数の解像度のヘッドを駆動することができる単一のプリントエンジンを設計することが望ましい。

図１を参照すると、本発明のインクジェットプリントヘッドが全体的に１０として示されている。プリントヘッド１０は、インクを保持するのに適切な任意の材料でできたハウジング１２を有する。その形状は様々であり得、プリントヘッドを担持または収容する外部デバイスに依るところが大きい。ハウジングは、初回または補充のインクを収容するコンパートメント１６を少なくとも１つは内部に有する。ある実施形態では、コンパートメントは単一のチャンバを有し、ブラックインク、フォトインク、シアンインク、マゼンタインクまたはイエローインクのうちの１種類を収容している。他の実施形態では、コンパートメントは複数のチャンバを有し、３種のインクを収容している。好ましくは、コンパートメントにはシアン、マゼンタおよびイエローのインクが含まれる。さらに他の実施形態では、コンパートメントは、ブラック、フォト、シアン、マゼンタまたはイエローのインクのうちの複数種を収容している。しかし、コンパートメント１６はプリントヘッドのハウジング１２内に局所的に一体化して示されているが、その代わりに遠隔のインク源に接続して、たとえばチューブからインクの供給を受ける場合もあることが理解される。

ハウジング１２の１つの表面１８に接着されているのは、フレキシブル回路の、特にはテープ自動接合（ＴＡＢ）回路２０の部分１９である。ＴＡＢ回路２０のもうひとつの部分２１は、ハウジングの別の表面２２に接着されている。この実施形態では、２つの表面１８、２２は、ハウジングのエッジ２３のところで互いに対して直角に配置されている。

ＴＡＢ回路２０は、使用中にヒーターチップ２５をプリンタ、ファックス機、コピー機、写真複写機、プロッター、複合機などの外部デバイスに電気的に接続するための複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）コネクタ２４を支持している。ＴＡＢ回路２０には複数の導電体２６が存在して、Ｉ／Ｏコネクタ２４をヒーターチップ２５の入力端子（接合パッド２８）に電気的に接続したり短絡したりする。当業者であれば、そのような接続を容易に行う種々の技法を心得ている。図１では簡潔さを期して８つのＩ／Ｏコネクタ２４、８つの導電体２６、および８つの接合パッド２８しか示していないが、今日のプリントヘッドは遥かに多数の量を有しており、本明細書はあらゆる個数を一様に包含している。またさらに、コネクタ、導電体、および接続パッドの数はこのように互いに等しいが、実際のプリントヘッドでは等しくない場合もあることを当業者であれば理解できる。

ヒーターチップ２５は、使用中にコンパートメント１６からインクを吐出する役割を果たす複数の流体噴射素子のカラム３４を収容している。流体噴射素子は、薄膜層としてシリコン基板に形成される熱抵抗ヒーター素子（短縮してヒーター）を具現化したものか、またはヒーターチップという名称からサーマル技術が示唆されるが圧電素子であり得る。簡潔さを期して、カラム３４の複数の流体噴射素子をインクビア３２に隣接して一列に並んだ５つのドットとして示しているが、実用では数百個または数千個の流体噴射素子が含まれる場合もある。以下に説明するように、垂直方向に隣接する流体噴射素子は、間に横方向の間隙があってもなくても、または横方向に互い違いになっていてもよい。一般に、流体噴射素子は、適宜プリンタの解像度（１インチ当たりのドット数）に合わせて、垂直方向に間隔がとってある。間隔のいくつかの例としては、ビアの長手方向に沿って、１インチの１／３００、１／６００、１／１２００、１／２４００またはその他が挙げられる。ビアを形成するには、ヒーターチップを厚さ方向に貫通して切断またはエッチングによりビア３２を形成する多くの方法が知られている。いくつかのさらに好ましい方法としては、グリットブラスティングやエッチング、たとえばウエット、ドライ、反応性イオンエッチング、深堀り反応性イオンエッチングまたはその他が挙げられる。ノズルプレート（図示せず）には使用中にインクを発射するため各ヒーターに揃えられる複数の孔がある。ノズルプレートは、接着剤またはエポキシで接着された薄膜層であり得る。

図２を参照すると、外部デバイスが、プリントヘッド１０を収容するインクジェットプリンタとして、全体的に４０として示されている。プリンタ４０には、１つ以上のプリントヘッド１０を収容する複数のスロット４４を有するキャリッジ４２が含まれる。当業界でよく知られているように、キャリッジ４２は、ドライブベルト５０に供給される推進力によって、シャフト４８に沿って（コントローラ５７の出力５９にしたがい）印刷ゾーン４６の上方で往復動する。キャリッジ４２の往復動は、プリンタ４０内で給紙トレイ５４から用紙搬送路に沿って印刷ゾーン４６を通過し排紙トレイ５６へと送られる用紙５２などの印刷媒体に対して相対的に生じる。

印刷ゾーンでは、キャリッジ４２は、矢印で示すように、用紙送り方向に送られている用紙５２に対して概ね垂直の往復動方向に往復動する。そのようなときに、コンパートメント１６（図１）からのインク滴は、プリンタのマイクロプロセッサまたは他のコントローラ５７の指令に応じてヒーターチップ２５から吐出されることになる。インク滴放出のタイミングは、印刷中の画像のピクセルパターンに対応する。多くの場合、そのようなパターンは、コントローラ５７に（外部入力により）電気的に接続された、プリンタ外部のデバイスで生成され、該デバイスとしては、限定ではないが、コンピュータ、スキャナ、カメラ、視覚的表示装置、携帯情報端末またはその他が挙げられる。

インク一滴を印刷または放出するために、流体噴射素子（図１のカラム３４のドット）が少量の電流で個別に流されて、少量のインクを急速に加熱する。それによってインクは局所のインクチャンバ内でヒーターとノズルプレートの間で蒸発し、ノズルプレートから印刷媒体に向けて吐出されて発射される。そのようなインク滴を放出するのに必要な噴射パルスは、単一またはスプリット噴射パルスを具現化してもよく、接合パッド２８、導電体２６、Ｉ／Ｏコネクタ２４およびコントローラ５７間の接続から入力端子（たとえば接合パッド２８）のヒーターチップで受信される。入力端子からの噴射パルスは、内部ヒーターチップ配線により、１個または多数の流体噴射素子へと搬送される。

コントローラ５７への入力６２として、ユーザー選択インターフェース６０を有するコントロールパネル５８も多くのプリンタに付属して、プリンタの追加の性能や堅牢性を提供している。

図３は、本発明の一例示的実施形態による、全体的に参照番号１００として表されるプリントヘッドのレイアウトを示すブロック図である。プリントヘッド１００の各ヒーターＡは、最低でも二次元アドレス行列を有する独自のアドレスを有する。プリントヘッド１００は、流体ビア１１０と、ヒーターＡのグループＰ１～Ｐ１０（本明細書では「プリミティブグループ」とも呼ぶ）を含んでいる。プリントヘッド上のヒーターの総数は、したがって、Ｐ×Ａ個となる。図３に示す例では、グループＰ１～Ｐ１０にはそれぞれ３４個のヒーターが含まれ、ビア１１０のヒーターの総数は３４０個となっている。

表１は、３００ｄｐｉ、６００ｄｐｉおよび１２００ｄｐｉのプリントヘッドの可能な３つの構成を説明している。各ケースでは、印刷走査幅は約１．１３インチであり、ヒーターアドレスＡの数は３４に設定されている。グループあたりのヒーターの数、ひいてはアドレスＡの数は、３４でなくてもよく、他の例示的実施形態では、グループあたりのヒーターの数は３４より多い場合も少ない場合もあり得ることを理解されたい。たとえば、グループあたりのヒーターの数は、８～４０個の範囲内であり得る。表１に示すように、３つのチップのアドレッシングにおける唯一の違いは、プリミティブまたはＰグループの数である。

アドレスの数を３４に固定することで、コード化された値を収容するのに必要なオンチップレジスタの長さは、（３４個のアドレスそれぞれの小数値をコード化できるように）６ビットに固定される。これは３つの解像度すべてに当てはまり、したがってアドレスデータ用の共通の電気的インターフェースが可能になる。

１２００ｄｐｉのケースでは、プリミティブの数は４０に設定されるので、各プリミティブをアドレス指定するためには全部で４０ビットが必要になる。図４は、１２００ｄｐｉのケースのアドレッシングを説明している。図示のように、プリントヘッド３００のプリミティブグループＰ１～Ｐ４０は、２つのシフトレジスタによって、各プリミティブグループに１ビットで、アドレス指定されている。Ｐデータビットの総数は４０ビットであり、２つのレジスタつまりシフトレジスタ１とシフトレジスタ２に、レジスタあたり２０ビットずつ分けられている。

図５は、６００ｄｐｉのケースのアドレッシングを説明している。１２００ｄｐｉのケースと比べて、必要なアドレス数は半分なので、プリントヘッド４００のプリミティブの数は２０に設定することができ、これは１２００ｄｐｉのケースで使用されるプリミティブの半数である。１２００ｄｐｉのケースで使用されるＰデータビットのシフトレジスタを６００ｄｐｉのケースでも使用できる。しかし、ここではシフトレジスタ内の４素子のＲ１～Ｒ４グループはそれぞれ、対応する４つのプリミティブのグループの代わりに、対応する一対のプリミティブをアドレス指定するのに用いられ得る。

図６は、３００ｄｐｉのケースのアドレッシングを説明している。１２００ｄｐｉのケースと比べて、必要なアドレス数は１／４と少ないので、プリントヘッド５００のプリミティブの数は１０に設定することができ、これは１２００ｄｐｉのケースで使用されるプリミティブの数の１／４である。１２００ｄｐｉのケースで使用されるＰデータビットのシフトレジスタを３００ｄｐｉのケースでも使用できる。しかし、ここではシフトレジスタ内の４素子のＲ１～Ｒ４グループはそれぞれ、対応する４つのプリミティブのグループの代わりに、対応する１つのプリミティブをアドレス指定するのに用いられ得る。

３００ｄｐｉのケースをさらにみてみると（その内容を参照により本明細書に援用する）、図７は、並列接続され、１個のヒーター素子Ａを駆動するのに利用できるＦＥＴ１、ＦＥＴ２、ＦＥＴ３およびＦＥＴ４の４つのパワーＦＥＴを示している。各パワーＦＥＴは、アドレス指定されるとヒーター電流を切り替えるために、ＦＥＴの充電（オンにする）と放電（オフにする）に使用される対応するプリドライブ回路（図示せず）を有している。各ＦＥＴの独自のプリドライブおよびレジスタビットが維持され、ＦＥＴ同士が並列接続されていることで、ヒーターチップ駆動回路は次に、用途に最適な駆動強度を選択することができる。駆動強度を選択する能力により、ヒーターチップ制御回路は、噴射電流の立ち上がりおよび立ち下り時間を成形できる。

表２は、３００、６００および１２００ｄｐｉのケースのプリミティブグループを選択するための値を示している。全プリミティブを選択するのに必要な最低値が示されており、Ｘパラメータは、所望により駆動強度を増加させることができるケースを表している。

さらに３００ｄｐｉのケースを考察すると、表３は、最小駆動強度を選択するための値を示し、表４は、最大駆動強度を選択するための値を示している。

この例では、共通の電気的インターフェースを維持するために、３ケース全てでＰデータレジスタを２０ビットに固定することになる。

本発明の具体的な実施形態を例示し説明してきたが、当業者にとっては、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な他の変化形態および変更形態が可能であることは、明白であろう。したがって、本発明の範囲内であるそのようなすべての変化形態および変更形態は、別記の請求項に含まれるものとする。

１０，１００，３００，４００，５００ プリントヘッド
１２ ハウジング
１６ コンパートメント
１８，２２ 表面
１９，２１ 部分
２０ ＴＡＢ回路
２３ エッジ
２４ Ｉ／Ｏコネクタ
２５ ヒーターチップ
２６ 導電体
２８ 接合パッド
３２ インクビア
３４ カラム
４０ インクジェットプリンタ
４２ キャリッジ
４４ スロット
４６ 印刷ゾーン
４８ シャフト
５０ ドライブベルト
５２ 用紙
５４ 給紙トレイ
５６ 排紙トレイ
５７ コントローラ
５８ コントロールパネル
５９ 出力
６０ ユーザー選択インターフェース
６２ 入力
１１０ 流体ビア

Claims (7)

1. 流体供給部と流体連通している１つ以上の流体ビアであって、それぞれ第１の数の加熱素子と関連付けられており、前記加熱素子は第２の数の加熱素子のグループに分けられて、ある数のグループを形成している、１つ以上の流体ビアを有し、画像データにしたがって前記加熱素子に電気信号を選択的に印加することにより、液体が吐出されるプリントヘッドを設計するための設計方法であって、
   少なくとも１つのシフトレジスタを備える、複数種類の印刷解像度用のプリントヘッド間で共通の電気的インターフェースを用い、
   前記グループの数は、前記プリントヘッドの印刷解像度と比例関係にあり、前記グループ毎に含まれる前記加熱素子の数は、前記プリントヘッドの印刷解像度の種類によらず、一定であるように設計する
   プリントヘッドの設計方法。
2. 前記１つ以上の流体ビアの各流体ビアの一方の側に第１のカラムとして、および各流体ビアの他方の側に第２のカラムとして、１以上の前記グループがそれぞれ配置されるように設計する
   請求項１に記載のプリントヘッドの設計方法。
3. 前記グループの数は、（前記第１の数の加熱素子）／（前記第２の数の加熱素子）の式により計算される
   請求項１に記載のプリントヘッドの設計方法。
4. 前記第１の数の加熱素子は、（前記プリントヘッドの印刷解像度）×（印刷走査幅）の式により計算され、式中、印刷走査幅は前記流体ビアの幅を表し、印刷走査幅の単位はインチである
   請求項３に記載のプリントヘッドの設計方法。
5. 前記プリントヘッドは１２００ｄｐｉの印刷解像度を有し、前記グループの数は４０であるように設計する
   請求項１に記載のプリントヘッドの設計方法。
6. 前記プリントヘッドは６００ｄｐｉの印刷解像度を有し、前記グループの数は２０であるように設計する
   請求項１に記載のプリントヘッドの設計方法。
7. 前記プリントヘッドは３００ｄｐｉの印刷解像度を有し、前記グループの数は１０であるように設計する
   請求項１に記載のプリントヘッドの設計方法。

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